كيفية ضمان تأثير تبديد الحرارة في الخزائن الكهربائية؟

فهم الحمولات الحرارية في المساكن الكهربائية

قياس الحرارة الناتجة داخليًّا عن مكونات الطاقة

تُعاني اللوحات الكهربائية التي نقوم بتركيبها من ارتفاع شديد في درجة الحرارة داخليًا بسبب تشغيل مكونات الطاقة الكثيرة. فخذ على سبيل المثال المحولات، ومحركات التيار المتغير (VFDs)، وقواطع الدوائر — عادةً ما تفقد هذه الأجهزة حوالي 3 إلى 8 بالمئة من طاقتها المدخلة على شكل حرارة هدر أثناء التشغيل. فقط تخيل محولًا قياسيًا سعته 500 كيلو فولت أمبير، فقد يُخرج ما يقارب 15 كيلوواط من الطاقة الحرارية. وفقًا للمعايير الصادرة عن IEC 60076-2023، إذا عمل الجهاز بدرجة حرارة أعلى بـ 10 مئوية فقط من القيمة المصممة له، فإن عمره المتوقع ينخفض إلى النصف تقريبًا. وهذا يجعل إجراء حسابات دقيقة للحمل الحراري أمرًا بالغ الأهمية لتصميم النظام بشكل صحيح. وعند تحديد كمية الحرارة المتراكمة داخل هذه الخزائن، ينظر الفنيون عمومًا إلى مواصفات القدرة الواتية للمكونات، ويأخذون بعين الاعتبار مدى تكرار تشغيل كل جزء، بالإضافة إلى الرسوم البيانية لكفاءة الأداء التي يوفرها المصنعون.

تقييم العوامل الحرارية الخارجية: الظروف المحيطة والكسب الشمسي

تُفاقم مجموعة كبيرة من الظروف الخارجية الإجهاد الحراري أكثر مما هو عليه بالفعل. يمكن للشمس أن تُشع صناديق التجهيزات بحوالي 150 واط لكل متر مربع من الحرارة الإضافية، وعندما تتجاوز درجات حرارة الهواء 40 درجة مئوية، تسوء الأمور كثيرًا بالنسبة للعمليات التبريدية الطبيعية، حيث تنخفض فعاليتها بنسبة حوالي 30 في المئة. والتغيرات الموسمية تعني أن المهندسين بحاجة إلى التفكير بشكل ديناميكي بدلًا من الالتزام بنماذج ثابتة قديمة. ويكون هذا الأمر الأكثر أهمية في المصانع الواقعة في المناطق الجافة، حيث تحتاج الآلات فعليًا إلى طاقة تبريد تزيد بنسبة 25% مقارنة بالمناطق ذات المناخ الأكثر اعتدالًا. ويساعد وضع المعدات في مواقع ذكية على تقليل التعرض المباشر لأشعة الشمس والاستفادة القصوى من اتجاهات الرياح المحلية، بحيث تتبخر الحرارة دون الحاجة إلى أنظمة معقدة.

اختيار أساليب فعالة للتخلص من الحرارة في الخزائن الكهربائية

الحلول السلبية: مشتتات الحرارة، مواد الواجهة الحرارية، وأنابيب نقل الحرارة

تعمل التبريد السلبي على الاستفادة من عمليات التسخين والتبريد الطبيعية التي توفرها الطبيعة، ما يعني عدم الحاجة إلى أي مصدر طاقة خارجي. وعندما نتحدث عن مُشتتات الحرارة المصنوعة من الألومنيوم أو النحاس، فإنها ببساطة تُوفّر مساحة أكبر لخروج الحرارة من خلال كل من الحمل والإشعاع. ويمكن للتصاميم الجيدة أن تخفض درجات حرارة الجهاز بنحو يتراوح بين 15 إلى 20 درجة مئوية تقريبًا. وتُستخدم مواد الواجهة الحرارية، أو ما تُعرف في الصناعة باسم TIMs، لملء الفراغات الهوائية الصغيرة بين المكونات وأسطح التبريد الخاصة بها. وهذا يحسّن من كفاءة انتقال الحرارة، حيث يمكن أن تكون أكثر فعالية بما يصل إلى خمس مرات مقارنة بالاعتماد على الهواء فقط. كما أن أنابيب الحرارة رائعة أيضًا. فهي تعمل وفق مبدأ يتحول فيه السائل إلى بخار ثم يعود مرة أخرى إلى حالته السائلة، مما ينقل الحرارة بعيدًا بكفاءة عالية جدًا. ويمكن لأنابيب الحرارة هذه أن تنقل حوالي 90 بالمئة أكثر من الحرارة مقارنة بنفس الكمية من النحاس الصلب. وتجد شركات تصنيع المعدات الكهربائية هذه الأساليب للتبريد السلبي جذابة للغاية، لأنها غالبًا ما تدوم لأكثر من عقد دون الحاجة إلى صيانة كبيرة، بالإضافة إلى أنه لا توجد أية تكلفة كهرباء مستمرة على الإطلاق.

خيارات التبريد النشط: مراوح مفلترة، مبادلات حرارية هوائية، ووحدات تكييف للمحاطات

تُفعَّل أنظمة التبريد النشطة عندما تتجاوز العوامل البيئية الحد الآمن المعتاد، أو عندما يفوق توليد الحرارة الداخلي قدرة الأساليب السلبية على التعامل معها. تساعد المراوح ذات التصنيف NEMA 4 في منع دخول الغبار بينما تقوم بدفع ما يقارب 300 قدم مكعب في الدقيقة من الهواء المبرد، وهو ما يُعد مناسبًا للحالات التي تتضمن طلبًا حراريًا متوسطًا. وتُنشئ مقاييس الحرارة الهوائية عازلًا بين الهواء الداخلي والخارجي يتوافق مع معايير IP54، وتتمكن هذه الأجهزة من التخلص من نحو 2 إلى 3 كيلوواط من الحرارة الزائدة عبر التوصيل. أما في المواقع الصعبة حقًا مثل المحطات الكهربائية الخارجية أو المباني الواقعة في مناطق صحراوية المناخ، فتُستدعى وحدات تكييف متخصصة للحاويات بهدف الحفاظ على درجة حرارة ثابتة تبلغ 25 درجة مئوية على الرغم من التعرض لأحمال حرارية تتجاوز 5 كيلوواط. إن حلول الهواء القسري تقلل بالفعل من درجات حرارة النقاط الساخنة بنحو 35 درجة مئوية في بعض الأحيان، لكنها تأتي بتكلفة إضافية لأنها عمومًا تحتاج إلى طاقة تزيد بنسبة 15 بالمئة تقريبًا مقارنةً بالأنظمة السلبية المُحسَّنة بشكل جيد.

تصميم تدفق الهواء الأمثل وترتيب المكونات في الخزانات الكهربائية

الوضع الاستراتيجي لتجنب مناطق الحرارة العالية وتمكين مسارات الحمل الطبيعي

يلعب ترتيب المكونات دورًا كبيرًا في قرارات التصميم الحراري. عند وضع الأجهزة التي تولد حرارة عالية مثل محولات التردد المتغير (VFDs)، من المنطقي وضعها بالقرب من المناطق ذات تدفق هواء جيد، لكن يجب أن تبقى هذه المناطق الساخنة بعيدة عن الأجهزة الحساسة. لماذا؟ لأن التداخل الكهرومغناطيسي يمكن أن يسبب مشكلات، وتُظهر الدراسات أنه يساهم في أكثر من ثلث حالات الفشل المرتبطة بالحرارة. اترك على الأقل 20٪ من المساحة حول أي جهاز يولد حرارة حتى يتمكن الهواء من الصعود بشكل طبيعي. فكر في الأمر كإنشاء تأثير المدخنة، حيث يتم سحب الهواء البارد إلى الأعلى تلقائيًا دون الحاجة إلى مراوح أو مضخات للقيام بالمهمة. يمكن أن يؤدي هذا الإجراء البسيط إلى خفض درجات الحرارة الداخلية بنحو 15 درجة مئوية. كما أن تحديد المسافات المناسبة أمر مهم أيضًا، إذ إن انسداد تدفق الهواء يؤدي إلى ظهور مناطق حرارية عالية لا يرغب أحد في حدوثها عند محاولة الحفاظ على تشغيل النظام بأكمله بسلاسة.

إدارة التهوية والعوائق في المغلق بناءً على ديناميكا السوائل الحسابية

يمكن أن تكشف عمليات المحاكاة باستخدام ديناميكا الموائع الحاسوبية (CFD) عن مشكلات حرارية جسيمة قبل وقت طويل من بدء أي عملية تصنيع فعلية. وعندما يقوم المهندسون بنمذجة كيفية تدفق الهواء عبر المعدات، وتتبع التغيرات في الضغط على الأسطح، وتحديد المناطق التي قد ترتفع فيها درجة حرارة المكونات بشكل مفرط، فإنهم يكتشفون أنواعاً عديدة من المشكلات التي لا يلاحظها أحد عادةً. فعلى سبيل المثال، يؤدي وضع الفتحات التهوية بشكل غير مناسب إلى إحداث اضطرابات هوائية بدلًا من تدفق هواء سلس، بينما تتحول بعض المناطق إلى «نقاط ساخنة» بسبب انعدام وصول أي تيار هوائي إليها على الإطلاق. وتشير أبحاث أجرتها عدة شركات هندسية إلى أن المنتجات التي يُحسَّن تصميم غلافها الخارجي باستخدام تقنيات ديناميكا الموائع الحاسوبية (CFD) تكون أكثر كفاءة في تبديد الحرارة بنسبة تصل إلى ٤٠٪ مقارنةً بالتصاميم القياسية. ومن النصائح العملية للاستفادة القصوى من تحليل ديناميكا الموائع الحاسوبية (CFD) ما يلي: توجيه فتحات التهوية بزاوية مناسبة بالضبط لتحفيز تشكُّل أنماط تدفق هوائي سلسة، وإبعاد الأسلاك الكهربائية عن قنوات التهوية الرئيسية، والتأكد من أن فتحات العادم أكبر بكثير من فتحات السحب — حيث يُوصى عادةً بأن تكون أكبر بنسبة تتراوح بين ٢٠٪ و٣٠٪ لخلق تيارات حvection طبيعية فعّالة. وبإجراء هذا النوع من المحاكاة في المرحلة المبكرة من عملية التصميم، يتم توفير المال على المدى الطويل من خلال تجنُّب عمليات إعادة التصميم المكلفة لاحقًا، كما يساعد ذلك في ضمان بقاء جميع المكونات ضمن نطاقات درجات الحرارة الآمنة، مع الالتزام في الوقت نفسه بجميع المتطلبات الهيكلية والبيئية المتعلقة بالسلامة التي يتعيَّن على الشركات المصنِّعة الامتثال لها.

موازنة الحماية البيئية والأداء الحراري في وحدات حاويات الكهرباء

بالنسبة للمهندسين العاملين في المعدات الصناعية، هناك دائمًا هذا التوازن الواجب مراعاته عند التعامل مع الحاويات. فهم بحاجة إلى الامتثال لمواصفات بيئية صارمة مثل تصنيفات IP66 أو NEMA 4X، ولكن في الوقت نفسه، يجب أن تتيح هذه الحاويات خروج كمية كافية من الحرارة لمنع ارتفاع درجة الحرارة. إن توفير حماية جيدة ضد الغبار والماء والعناصر المسببة للتآكل أمر ضروري تمامًا للأنظمة المهمة، لا شك في ذلك. لكن إذا تم المبالغة في الختم، فإن الحرارة تظل عالقة داخل الحاوية، مما يؤدي فعليًا إلى تسريع فشل المكونات. خذ على سبيل المثال الحشوات الضاغطة (Compression Gaskets)، فهي تعمل بكفاءة عالية في منع دخول الشوائب، ولكن بعد ذلك نحتاج إلى شيء آخر لإدارة تراكم الحرارة. وعادة ما يعني ذلك إضافة مواد توصيلية إلى جدران الحاوية أو دمج مشتت حراري (Heat Sink) في مكان ما ضمن التصميم. وإلا فإن جميع تدابير الحماية هذه ستصبح جزءًا من المشكلة بدلاً من أن تكون جزءًا من الحل.

تساعد حلول التهوية في سد الفجوة بين احتياجات تدفق الهواء والحماية من الظروف القاسية. وتُعتبر المراوح المشقوفة المزودة بمرشحات الجسيمات فعّالة جدًّا عند استخدامها جنبًا إلى جنب مع المراوح ذات التصنيف وفق معايير NEMA للحفاظ على حركة الهواء مع حماية المعدات في الوقت نفسه من الغبار والتآكل والتعرّض للماء أثناء عمليات الغسل والتنظيف. أما فيما يتعلّق بالتحكم الحراري، فهنالك عدة طرق تستحق النظر فيها. فمواد الواجهة الحرارية تحسّن انتقال الحرارة من المكونات الساخنة إلى جدران الغلاف، كما يمكن تركيب العوازل بشكل استراتيجي لحماية المعدات من التقلبات الحرارية الخارجية للغلاف. وتكتسب هذه الأساليب أهميةً خاصةً في مواقع معيّنة: فعلى سبيل المثال، تستفيد المناطق الساحلية ذات الرطوبة العالية بشكل كبير من سخانات مكافحة التكثّف التي تمنع تلف المعدات الناجم عن الرطوبة. وبالمثل، تحتاج المعدات المعرّضة لأشعة الشمس المباشرة إما إلى طلاءات عاكسة أو هياكل ظليلة لتقليل تراكم الحرارة. وعند النظر إلى تصنيفات IP وNEMA، يتضح جليًّا أن الحماية البيئية والإدارة الحرارية ليستا شاغلين منفصلين، بل إن كلًّا منهما يعتمد على الآخر لتحقيق تشغيلٍ موثوقٍ على المدى الطويل في أنظمة توزيع الطاقة.

الأسئلة الشائعة

ما هو الحمل الحراري في المنازل الكهربائية؟

يشير الحمل الحراري إلى كمية الطاقة الحرارية الناتجة داخل الخزانات الكهربائية، وينجم بشكل أساسي عن تولد الحرارة داخليًا من المكونات الكهربائية مثل المحولات والمحركات ذات التردد المتغير (VFDs) ومعدات التبديل، إضافةً إلى العوامل الخارجية مثل درجة حرارة البيئة والمكاسب الشمسية.

كيف تختلف طرق التبريد السلبية عن طرق التبريد النشطة بالنسبة للخزانات الكهربائية؟

يعتمد التبريد السلبي على العمليات الطبيعية والمواد مثل مشتتات الحرارة وأنابيب نقل الحرارة، في حين يستخدم التبريد النشط أنظمة ميكانيكية مثل المراوح المفلترة ووحدات تكييف الخزانات لإدارة الحرارة الزائدة.

ما الدور الذي تلعبه ديناميكا السوائل الحسابية (CFD) في تصميم الخزانات الكهربائية؟

تُستخدم ديناميكا السوائل الحسابية (CFD) لمحاكاة وتحسين تدفق الهواء داخل الخزانات، مع تحديد النقاط الساخنة المحتملة وتغيرات الضغط ومنعها قبل بدء عملية التصنيع.

لماذا يُعد تحقيق التوازن بين حماية البيئة والأداء الحراري أمرًا مهمًا؟

إن موازنة هذين الجانبين يضمن توافق الصناديق الكهربائية مع المواصفات البيئية ومنع ارتفاع درجة الحرارة، وبالتالي حمايتها من الغبار والماء والتآكل مع السماح بتبديد حراري كافٍ.